[論文レビュー] Influence of magnetic field on plasma parameters and thin film deposition along axial and radial distances in DC magnetron

Gopikishan Sabavath, I. Banerjee+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 21, 2017

Metal and Thin Film Mechanics参考文献 32被引用数 3

ひとこと要約

本研究は、DCマグネトロンスパッタリング系における磁場分布がプラズマパラメータおよび薄膜堆積に与える影響を調査する。実験的測定とCOMSOLシミュレーションを用いて、電子温度（Te）および電子密度（ne）が陰極からの軸方向および半径方向距離が増加するにつれて減少することを示し、堆積速度（Dr）も同様の傾向を示す。これは、粒子-場シミュレーションとモンテカルロ衝突（PIC-MCC）モデルによる計算結果が実験データと一致することによって裏付けられている。

ABSTRACT

Magnetic field (B) distribution of the magnetron was measured and discussed its effect on plasma parameters and deposition rate. Plasma parameters such as electron temperature (Te), electron number density (ne) were estimated using electron flux (EF) and electron energy distribution function (EEDF) methods as function of axial, radial distances from the cathode. Te and ne decreased with increasing of axial, radial distances from the cathode. Dr was obtained for the same positions where the above plasma parameters were measured, and found that similar profile with Te and ne. Magnetron configuration was simulated using COMSOL Multiphysics software and compared with the experimentally measured profile. Further, density distribution was simulated using measured B through particle in cell - Monte Carlo collision and found simulation results are well supported to the experimental results.

研究の動機と目的

• DCマグネトロンスパッタリング系における陰極からの軸方向および半径方向の空間的変化を、電子温度（Te）および電子数密度（ne）の観点から分析すること。
• マグネトロン構成内における異なる位置でのこれらのプラズマパラメータと堆積速度（Dr）との相関関係を特定すること。
• COMSOL Multiphysicsを用いてマグネトロンの磁場分布をシミュレートし、実験的測定値と比較すること。
• 測定された磁場データに基づく粒子-場シミュレーションとモンテカルロ衝突（PIC-MCC）モデルを用いて、プラズマ密度分布の妥当性を検証すること。
• 磁場構造、プラズマ挙動、および薄膜堆積の均一性との間の定量的関係を確立すること。

提案手法

• DCマグネトロン系における磁場（B）分布を実験的に測定した。
• さまざまな軸方向および半径方向位置で、電子フラックス（EF）および電子エネルギー分布関数（EEDF）法を用いて電子温度（Te）および電子数密度（ne）を推定した。
• プラズマパラメータを評価したのと同じ位置で、堆積速度（Dr）を測定した。
• 実験データと比較するため、マグネトロンの幾何形状および磁場をCOMSOL Multiphysicsでシミュレートした。
• 実験的に測定したB場プロファイルを入力として、PIC-MCCシミュレーションを用いてプラズマ密度分布を計算した。
• Te、ne、Drの実験的測定結果と照合する形で、シミュレーション結果を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 DCマグネトロンにおける陰極からの軸方向および半径方向距離に応じて、磁場分布が電子温度（Te）にどのように影響を与えるか。
• RQ2 電子数密度（ne）は、陰極からの軸方向および半径方向距離に対してどのように空間依存性を示すか。
• RQ3 堆積速度（Dr）は位置に応じてどのように変化し、Teおよびneのプロファイルと相関関係があるか。
• RQ4 マグネトロンの磁場分布をシミュレートするCOMSOLモデルは、実験的測定値とどの程度一致するか。
• RQ5 測定されたB場データを入力としてPIC-MCCシミュレーションを実行した場合、プラズマ密度分布の結果は実験的観測と一致するか。

主な発見

• 電子温度（Te）および電子数密度（ne）は、いずれも陰極からの軸方向および半径方向距離が増加するにつれて減少する。
• 堆積速度（Dr）はTeおよびneと同様の空間的プロファイルを示し、プラズマパラメータと直接的な相関関係があることが示された。
• マグネトロンの磁場構成をシミュレートしたCOMSOLシミュレーションは、実験的測定されたB場分布と良好に一致した。
• 測定されたB場データを入力として使用したPIC-MCCシミュレーションによるプラズマ密度分布は、実験的観測と非常に近い結果を示した。
• 実験とシミュレーションを統合したアプローチにより、磁場構造がDCマグネトロンスパッタリングにおけるプラズマの均一性および堆積速度を決定づけることが確認された。
• 本研究は、測定された磁場データと高度なシミュレーション技術を組み合わせることで、プラズマ挙動および堆積挙動を予測可能なフレームワークを確立した。